Сперматозоиды из стволовых клеток помогли зачать крысят

Oikawa et al. / Science, 2022

Японские ученые вырастили сперматозоиды из эмбриональных клеток крысы. До сих пор подобные эксперименты проводились только на мышах, для других видов сделать это не удавалось. Получившиеся сперматозоиды оказались функциональными — их можно использовать, чтобы зачать жизнеспособное потомство. Правда, самостоятельно оплодотворить яйцеклетку они пока не могут, и без донорских поддерживающих клеток не развиваются. Работа опубликована в журнале Science.

Технологии искусственного оплодотворения помогают зачать ребенка тем, для кого по каким-то причинам естественное оплодотворение невозможно. Но это работает только тогда, когда есть половые клетки, пусть даже не вполне здоровые. А вот тем людям, в организме которых половые клетки по какой-то причине не производятся, помочь пока нечем.

Половые клетки можно было бы выращивать из стволовых клеток, но с этим есть несколько трудностей. Во-первых, для этого придется взять первичные половые клетки — группу клеток, которые отделяются от остальных довольно рано, у человека это в районе двух недель развития (о том, чем еще примечательна эта стадия, читайте в нашем тексте «14 дней спустя»). Во-вторых, в реальном эмбрионе первичных половых клеток очень мало, буквально несколько десятков, поэтому изучать их образование и развитие довольно сложно.

Впервые вырастить первичные половые клетки и получить из них сперматозоиды удалось группе японских ученых в 2011 году. Они работали на мышах, и ни для одного другого вида их результаты пока никто не повторил. Теперь другая группа японских ученых, Мами Ойкава (Mami Oikawa) из Токийского Университета и ее коллеги, попробовала сделать то же самое для крысы.

Несмотря на то, что во многих работах по физиологии и поведению используют оба вида грызунов, существенная часть эмбриологических исследований сделана все-таки на мышах. Поэтому авторам работы пришлось адаптировать для крыс все этапы протокола, а заодно разбираться в особенностях крысиного эмбриогенеза.

В качестве сырья для производства сперматозоидов они взяли эмбриональные стволовые клетки крысы. Их нужно было превратить в эпибласт — в эмбрионе это пласт клеток, которые готовы специализироваться и разделиться на несколько слоев зародыша, в том числе отпочковать от себя первичные половые клетки. Оказалось, что, хотя мышиный эпибласт легко культивировать на плоскости, крысиные клетки не держатся в едином слое, и пришлось научиться их растить в виде трехмерных сфер.

Потом ученым пришлось подбирать набор сигнальных веществ, с помощью которых клетки эпибласта можно превратить в первичные половые клетки. А чтобы они дозрели до настоящих предшественников сперматозоидов, их нужно было поселить вместе с поддерживающими клетками развивающихся половых желез. Такие железы исследователи взяли у крысиных эмбрионов постарше, и очистили их от собственных предшественников сперматозоидов (для этого опять же пришлось разработать новую методику, потому что они производят не те же молекулярные маркеры, что и клетки мыши). Правда, конструкция заработала только с женскими половыми железами — в мужских почему-то предшественники сперматозоидов развиваться отказались.

В итоге получился многоступенчатый метод: сначала эмбриональные стволовые клетки крысы, потом превращение в эпибласт, потом отделение первичных половых клеток, потом культивирование в незрелых железах с превращением в зрелые предшественники сперматозоидов. После всех этих манипуляций ученые проверили, какие эпигенетические изменения происходят в получившихся предшественниках — то есть на каких участках ДНК и гистонов появляются характерные маркеры. И подтвердили, что эти изменения похожи на те, что происходят в реальных клетках в организме крысы.

Наконец, осталось убедиться, что эти предшественники дают полноценные сперматозоиды. Для этого исследователи воспользовались моделью, о которой мы писали в 2021 году — они вырастили крыс с дефектом одного гена, который отвечает за развитие половых клеток. У них развиваются половые железы, но «пустые», без сперматозоидов. Вот таким крысам исследователи подсадили клетки-предшественники — и те начали производить сперматозоиды. Их было меньше, чем у мышей в аналогичных экспериментах. И самостоятельно оплодотворить ими самку крысы не смогли. Но с помощью искусственного оплодотворения ученые ввели эти сперматозоиды в яйцеклетки — и получились крысята, здоровые и плодовитые.

Эта работа — наглядный пример того, как непросто бывает перенести работающую методику с одного вида на другой и на какие хитрости ради этого приходится идти. Поэтому, хоть авторы и упоминают, что крыса физиологически ближе к человеку, чем мышь, можно ожидать, что следующий шаг тоже будет нелегким. Кроме того, чтобы в полной мере добиться своей цели, исследователям нужно научиться выращивать полноценные сперматозоиды, способные к самостоятельному зачатию. И в идеале — делать это без поддерживающих клеток семенников.

С яйцеклетками дело обстоит не проще, чем со сперматозоидами. Мы уже писали о том, как их пытались получать из вспомогательных клеток яичника. А в 2021 году ученые наконец-то собрали искусственный фолликул, с помощью которого можно выращивать яйцеклетки мыши in vitro «с нуля». О том, какие технологии станут возможными, если мы научимся делать это с яйцеклетками человека и других видов, мы рассказывали в тексте «Мама из пробирки».

Полина Лосева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.